Biologische Moleküle mit Fluoreszenzfarbstoffen zu markieren und sie mit Mikroskopen sichtbar zu machen, das tun Forscher schon lange. Doch mit einem Lichtmikroskop kommt man theoretisch nur bis zu einer bestimmten Auflösung. Vor einiger Zeit ist es aber gelungen, diese Grenze zu überwinden. Der Trick: Der Außenbereich der kreisförmigen Fläche wird am Fluoreszieren gehindert, sozusagen ausgeblendet. So leuchtet nur ein Punkt in der Mitte, und der ist viel kleiner, erklärt Katrin Willig vom Max-Planck-Institut für Experimentelle Medizin in Göttingen.
"Wir kommen in lebenden Mäusen auf 60 Nanometer. Aber es wurden auch Auflösungen von 10 bis 20 Nanometern gezeigt. Das hängt von der Färbemethode, von der Probe und von der Umgebung sehr stark ab."
60 Nanometer – das ist ein Tausendstel der Dicke eines menschlichen Haars. Und genau genug, um die Verbindungen zwischen Nervenzellen im Gehirn zu erkennen. Wenn diese Synapsen einmal geknüpft werden, bahnt das auch zukünftig den Weg für Nervenimpulse. Wichtig ist das zum Beispiel fürs Lernen.
Verknüpfungen zwischen Nervenzellen werden sichtbar
Bisher war bekannt, dass es sich bei diesen Synapsen um Ausstülpungen von zwei Nervenzellen handelt, die sehr nah zusammen kommen. Jetzt kann die Physikerin beobachten, wie sich die Form der Synapsen im Lauf der Zeit verändert. Um ins Gehirn hineinzuschauen, muss sie den Schädel der Tiere unter Narkose anbohren und den Knochen dauerhaft durch ein dünnes Glas ersetzen.
"Und können dann durch dieses Deckglas unsere lichtmikroskopischen Aufnahmen des Gehirns machen. Wenn man eine Gehirnoperation hat und einen Teil des Knochens durch ein Implantat ersetzt bekommt, ist das natürlich ein Eingriff. Aber es heilt gut aus, sodass man es über eine lange Zeit so implantiert halten kann."
All das natürlich unter Überwachung von Tierärzten. Ist die Wunde verheilt, bekommt die Maus einen Farbstoff gespritzt, der sich an die Synapsen anlagert.
Hochauflösende Mikroskopie liefert Einblicke ins Gehirn
Katrin Willig konnte dank der hoch auflösenden Mikroskopie zum Beispiel erkennen, dass bei einer der beiden Nervenzellen die Oberfläche eingedellt ist wie bei einem Pilz. Und dass sie nicht nur eine Ausstülpung bildet, sondern viel mehr, die aber im Laufe von Tagen oder Wochen wieder verschwinden.
"Diese Formveränderung spielt eine Rolle in mehr als 100 Gehirnerkrankungen, zum Beispiel auch Alzheimer oder Parkinson. Bisher wusste man von humanem Gewebe, dass sich dabei die Dichte von den Synapsen verändert. Aber man weiß noch wenig über die Formveränderungen von diesen Synapsen."
Völlig neue Möglichkeiten also, nicht nur für die Hirnforschung. Auch das Zusammenspiel von Eiweißmolekülen, den Proteinen, zeigt sich buchstäblich in ganz neuem Licht.
"Wichtig, wenn man wissen will, wie Proteine kommunizieren"
Stefan Hell, Chemie-Nobelpreisträger 2014, hat ein Mikroskopieverfahren entwickelt, das Strukturen bis auf einen Nanometer genau darstellt. Also noch 60 Mal feiner als bisher. Das ist kleiner als viele Proteine und nur noch so groß wie die fluoreszierenden Farbstoffe selbst.
"Und das ist natürlich sehr wichtig, wenn man bestimmte Proteinkomplexe verstehen will, wenn man wissen will, wie zwei oder mehr Proteine miteinander kommunizieren, wie sie zusammenhängen und gemeinsam ihre Arbeit verrichten. Und was wir heute wissen: dass diese ultimative Grenze, nämlich die Auflösung eines Moleküls in drei Dimensionen, erreichbar ist."
Noch dazu kann Stefan Hell solche Aufnahmen schneller machen, als sich die Moleküle bewegen. Ein gestochen scharfer Film, der die Vorgänge in einer Zelle in allen Details zeigt – so etwas ist also in Reichweite.
